Nature Commun：社交狀態調控觸覺感受的神經機制

來源：清華IDG/麥戈文腦科學研究院

2020年8月7日，清華大學生命學院、清華IDG/麥戈文腦科學研究院張偉研究員在《自然-通訊》（Nature Communications）雜誌上在線發表題為「A neural circuit encoding mating states tunes defensive behavior in Drosophila」的研究長文（doi:10.1038/s41467-020-17771-8），報導了關於動物觸覺感受被不同社交狀態調控的神經環路機制的最新研究結果。

動物依賴特化的機械感受器官和神經元來感知外界環境中的機械力刺激，並做出相應的行為反應。社交環境會顯著地影響動物對外界刺激的感受，同樣的機械力刺激在不同的社交背景下會觸發不同的感受和行為，但這其中的調控機制尚不清楚。本研究發現，觸碰果蠅翅膀會引起踢腿等防禦行為，這個行為是由翅膀邊緣的機械感受器介導的。

有趣的是，雌性果蠅的這種防禦行為會受到其交配狀態的調製：在求偶時和交配中，防禦行為下降，以利於果蠅完成交配；而在交配後防禦行為上升，以避免短時間內再次交配。同時，作者利用神經環路標記、行為學測定和鈣成像等生理實驗解析了不同交配狀態調控防禦行為的神經環路：位於果蠅腹神經索的Tmc-L神經元作為控制防禦行為的核心神經元，在求偶時和交配中受到上遊神經元的抑制，而在交配後受到另外一群神經元的激活（圖1）。該研究首次解析了觸覺感受被社交環境調控的神經環路機制，助於理解神經編碼的複雜性。

圖1 研究總結示意圖

首先，作者發現對果蠅翅膀邊緣施加機械力刺激會引起踢腿行為，並將該行為定義為防禦行為，通過統計刺激10次中引起踢腿的次數來衡量防禦行為的強弱。作者經過篩選發現Tmc-L神經元參與調控防禦行為，然後又進一步通過遺傳操作的方法縮小Tmc-L神經元標記範圍，僅標記位於腹神經索的中樞Tmc-L神經元（Central Tmc-L neurons, CTNs）。

利用行為學實驗作者觀察到，失活CTNs會引起防禦行為降低而激活CTNs會引起防禦行為升高，這些實驗結果證明了CTNs是控制防禦行為的重要神經元。同時研究人員還通過鈣成像的方法證明，當激活翅膀邊緣機械力敏感神經元時，CTNs的胞體鈣信號會上升，進一步說明CTNs作為翅膀邊緣機械力神經元的下遊調控防禦行為（圖2）。

圖2 CTNs參與調控由觸碰翅膀邊緣引起的防禦行為

作者通過觀察果蠅在交配前/時雌性和雄性有著十分緊密的身體接觸，且在該過程中雌蠅三分之二以上的翅膀會受到雄蠅的觸碰，但卻並沒有觀察到交配前/中的雌蠅產生防禦性的踢腿行為。可以想像，如果在交配時雌蠅也和正常狀態下一樣會感受到機械力刺激而產生防禦行為，是無法順利完成交配的，這其中一定存在某種調節機制。

為了研究具體的機制，作者模擬了一個交配環境：給雌蠅循環播放雄性求偶歌並釋放雄性氣味，結果顯示在模擬的交配環境下雌性的防禦行為的確會顯著降低。同時該研究發現，激活控制交配的重要神經元dsx神經元會引起雌蠅防禦行為降低，於是作者推測雄蠅的求偶信號能夠激活雌蠅dsx神經元，dsx神經元進一步抑制CTNs從而降低防禦行為。為了驗證這個猜想，作者利用GRASP (GFP reconstitution across synaptic patterners)技術證明dsx神經元和CTNs能夠形成突觸聯繫，又利用免疫共染色證明了該突觸連接是抑制性的。

該研究還通過鈣成像技術證明，同時激活dsx神經元和翅膀外周機械力敏感神經元並不會像上述結果一樣引起CTNs胞體的鈣信號上升（圖3）。輔助行為學實驗結果，可以得到結論：處在交配前/中狀態的雌性果蠅，其dsx神經元會被雄性求偶信號激活從而釋放抑制性神經遞質GABA給CTNs，從而降低防禦行為以促進交配。

圖3 dsx神經元通過與CTNs形成抑制性突觸降低交配前/中雌蠅的防禦行為

與未交配時的狀態截然不同，在交配後雌蠅的許多行為會發生顯著改變，比如：產卵量增加，短時間內不會再次交配等。因為踢腿是雌蠅拒絕雄蠅求偶的主要行為之一，於是作者猜測交配後的雌蠅防禦行為會增強。該研究先將處女蠅與雄蠅交配，交配完成後將雌蠅取出放置在食物中一段時間，然後再檢測其防禦行為強弱。結果表明雌蠅交配後防禦行為上升，並且可以持續3-8小時。經過篩選，作者發現失活雌蠅子宮附近的一群神經元（uterine neurons, UNs）後,由交配引起的上升的防禦行為消失了。該結果說明UNs參與調控交配引起的上升的防禦行為。

接下來的實驗證明了UNs可以和釋放神經肽Leucokinin（LK）的神經元形成突觸聯繫，同時CTNs上也表達LK的受體。這暗示交配後LK可能直接作用於控制防禦行為的中心神經元CTNs來增加防禦行為。實驗結果證實了這一猜想：在CTNs中敲低LK受體的果蠅中，交配沒能像對照組一樣引起防禦行為的上升。另外作者還通過光激活的方式證明CTNs在UNs的下遊發揮作用：光激活UNs的同時可以記錄到CTNs胞體鈣信號上升。這一系列的實驗能夠說明雌蠅交配後上升的防禦行為受一個三級神經環路控制：交配引起位於子宮的UNs興奮，進而激活UNs下遊的LK神經元。釋放的LK與CTNs上LK受體結合，CTNs興奮使得防禦行為上升。

圖4 調控交配後上升防禦行為的神經環路機制

清華大學生命學院、清華-北大生命科學聯合中心2016級博士生劉晨曦為本文第一作者，張偉研究員為本文通訊作者。該研究工作得到國家自然基金委、北京市科委、清華大學自主科研基金和清華-IDG/麥戈文腦科學研究院「Brain+X」種子基金的資助。張偉課題組受到清華-北大生命科學聯合中心和清華大學IDG/麥戈文腦科學研究院的支持。